Разработка полупроводниковых тензодатчиков

РАЗРАБОТКА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ТЕНЗОДАТЧИКОВ

В инженерной практике широко используется метод экспериментального определения и измерения механических напряжений при помощи наклеиваемых тензодатчика сопротивления (1).

Если на испытуемую деталь наклеена проволока или пластинка длиною и сопротивлениям то при деформации, например при растяжении длина изменится до , поперечное сечение до , а сопротивление возрастает до .
Безразмерная величина, равная отношению изменения сопротивления проволоки к его первоначальному значению, деленному на относительную деформацию определяет коэффициента тензочувствительности.

где _{- относительная деформация}

Изменение удельного электрического сопротивления, возникающее в результате односторонней деформации–растяжение или сжатия, называется тензорезистивным эффектом.
У металлов тензорезистивный эффект мал и коэффициент тензочувствительности бывает в пределах 2-3 а у полупроводников намного больше. Это объясняется их сложным строением энергетических зон. Полупроводники обладают весьма большим тензорезистивным эффектом в результате смешения положения минимумов изоэнергетической поверхности при деформации и благодаря анизотропии подвижности.
Тензорезистивный эффект связан с особенностями структуры кристалла и электронных процессов в нем. В настоящее время широко используется поликристаллические материалы полупроводников в виде пленок в качестве тензодатчика. Для монокристаллических образцов тензодатчика коэффициент тензочувствительности определяется формулой.

где - модуль Юнга

- коэффициент Пуассона
^{- продольный коэффициент пьез чувствительности.}
Основные области применения полупроводниковых тензодатчиков следующие:
1) для измерения малых деформаций;
2) в качества чувствительного элемента высокочувствительных преобразователей
давления, сил, моментов, смещений;
3) для измерения относительно больших деформаций без дорогостоящей
электронной аппаратуры.
При применении полупроводниковых тензодатчиков требуется компенсация
изменения сопротивления с изменением температуры, которое проявляется на выходе тензодатчика в виде кажущейся деформации.
Наиболее простым способом является включение в «смежные плечи моста», т.е. такого же датчика, как активный находящегося в одинаковых с ним тепловых условиях, но не подверженного деформации. Возможна и температурная компенсация при помощи терморезистора Динамические деформации удобно измерять при помощи потенциометрической цепи, на выходе ставится емкостный фильтр, не пропускающий постоянные сигналы, в том числе кажущуюся деформацию и температурный дрейф нуля.
Относительно больших эффекты пьеза сопротивления в солях свинца и создают возможности применения этих материалов для измерения механических напряжений. Особенно величина поперечное пьезсопротивления в равна
в образцах p –типа и

_{в образцах n-типа. Недостатком PbTe как}
материал для полупроводникового тензодатчика является его малая механическая прочность. Большая тензочувствительности прессованных образцов сделала возможным
применение тензодатчиков из этого материала для измерения деформаций. Для измерения деформации изгиба образцы наклеивались на стальную подложку. Коэффициент тензочувствительности тензодатчика из на два-три порядка больше, чем проволочных тензодатчиков. Увеличение коэффициента тензочувствительности достигается тепловой обработкой соответствующий той, которая применяется при получении чувствительных фотосопротивлений из и как предполагается, приводит к образованию р- n-переходов на границах зерен, образующих фоточувствительный слой. Изменение высоты барьеров при деформации является по-видимому, причиной большого тензоэффекта в прессованных порошках . С помощью тепловой обработки были достигнуты высокие величины коэффициента тензочувствительности в порядке несколько тысяч.
Литературы:
[1]. Полупроводниковые приборы в измерительной технике, Сборник статей, М. изд-во «Энергия» , 1990.